Содержание к диссертации
Введение
1. Возможности и задачи повышения параметрической безотказности форсированных дизелей стабилизацией характеристик форсунок 15
1.1. Методология обеспечения параметрической безотказности форсированных дизелей
15
1.2. Влияние стабильности характеристик форсунок на эффективность процессов энергопреобразований и параметрическую безотказность форсированных дизелей 20
1.3. Причины и механизм снижения стабильности характеристик форсунок 26
1.4. Средства стабилизации температуры распылителей на основе метода аварийной защиты 36
1.5. Методы и средства безразборного восстановления стабильности характеристик форсунок 39
1.6. Выводы. Цель и задачи исследования 42
2. Основы анализа и синтеза стабильности характеристик форсунок на стадии проектирования 47
2.1. Система условий работоспособности форсунок 47
2.2. Особенности моделирования показателей рабочего цикла и тепловой нагруженности дизеля 50
2.3. Влияние изменения характеристик форсунок на показатели рабочего цикла и тепловой нагруженность дизеля 55
2.4 Анализ выполнимости условий работоспособности форсунок и методы синтеза необходимой стабильности их характеристик на стадии проектирования 61
Выводы 67
3. Объект и методика исследования, экспериментальные установки, методы измерений и анализа результатов 68
3.1. Объекты и методика исследования 68
3.2. Экспериментальные установки и измерительная аппаратура .. 75
3.3. Особенности методики анализа рабочего цикла 86
Выводы 89
4. Влияние изменения характеристик форсунок в процессе эксплуатации на показатели процесса впрыскивания топлива и рабочего цикла дизеля 90
4.1. Динамика изменения характеристик форсунок в процессе эксплуатации 90
4.2. Влияние изменения характеристик форсунок вследствие нагаро- и смолоотложения на показатели рабочего цикла дизеля 96
4.3. Влияние изменения температуры распылителя на интенсив ность нагаро- и смолоотложения 100
Выводы 102
5. Методы и средства стабилизации характеристик форсунок на стадиях пректирования, производства, ремонта и эксплуатации 104
5.1. Влияние случайных возмущений, обусловленных технологиями сборки (ремонта) и технического обслуживания на стабильность характеристик форсунок 104
5.2. Безразборные методы и средства стабилизации характеристик форсунок на стадиях ремонта и эксплуатации 109
5.3. Эффективность стабилизации характеристик форсунок для повышения параметрической безотказности дизелей 118
5.4. Эффективность стабилизации температуры распылителей применением метода аварийной защиты 126
5.4.1. Обоснование параметров системы аварийной защиты 126
5.4.2. Конструктивные особенности и эффективность модернизированной системы аварийной защиты 130
Выводы 137
Заключение 139
Список литературы
- Методология обеспечения параметрической безотказности форсированных дизелей
- Особенности моделирования показателей рабочего цикла и тепловой нагруженности дизеля
- Экспериментальные установки и измерительная аппаратура
- Влияние изменения характеристик форсунок вследствие нагаро- и смолоотложения на показатели рабочего цикла дизеля
Введение к работе
Актуальность работы. Повышение эффективности широко применяемых многоцелевых автомобилей и транспортеров-тягачей по-прежнему остается главной проблемой их совершенствования. Ее решение во многом зависит от увеличения безотказности применяемых на этих машинах форсированных дизелей.
Практика показывает, что под действием различных факторов возрастают потери в процессах преобразования энергии в двигателе, прежде всего, в его рабочем цикле. Это ведет к снижению мощности двигателей на 15-25 %, существенному ухудшению характеристик топливной экономичности, дым-ности и токсичности отработавших газов, тепловой нагруженности и др. Вероятность возникновения параметрических отказов недооценивается при проектировании, они не всегда своевременно устраняются в процессе эксплуатации, что, в конечном счете, приводит к функциональным отказам, уменьшению долговечности двигателей, ухудшению характеристик моторно-трансмиссионных установок и снижению эффективности машин в целом до недопустимого уровня, составляющего в ряде случаев 50-60 % от требуемого.
Наиболее существенное влияние на эффективность преобразований энергии в рабочем цикле форсированных дизелей оказывает качество процессов впрыскивания топлива, его распыливания, смесеобразования и сгорания топлива. Одним из основных факторов, влияющих на эти процессы в эксплуатации, является степень стабильности характеристик проточной части распылителей и форсунок в целом (в дальнейшем характеристик форсунок). Однако, под действием производственных (ремонтных) и эксплуатационных факторов, прежде всего, вследствие роста температуры распылителя, происходит нагаро- и смолоотложение, что характеризуется закоксовывани-ем сопловых отверстий и лакообразованием на поверхности иглы распылителя. Эти процессы усугубляются за счет снижения давления начала впрыски 8 вания топлива и ухудшения условий работы распылителя при демонтаже-монтаже форсунок для регулирования. В результате происходит существенное ухудшение характеристик форсунок, обусловленное уменьшением эффективного проходного сечения распылителей и снижением подвижности их игл. Это приводит к снижению эффективности процессов преобразования энергии в рабочем цикле и параметрическим отказам, что наиболее характерно для форсированных дизелей.
В тоже время, требования к области допустимого изменения характеристик форсунок, обеспечивающих стабильность показателей двигателя и необходимую эффективность мобильной техники в целом не вполне сформулированы. Поэтому существующие методы совершенствования форсунок не полностью обеспечивают должную стабилизацию их характеристик. С другой стороны, практика показывает ограниченность возможностей стабилизации характеристик форсунок на стадии проектирования. Существующие методы восстановления стабильности этих характеристик в эксплуатации трудоемки, так как предусматривают разборку форсунок и очистку проточных частей распылителей. Более перспективные методы безразборной проверки, очистки и регулирования форсунок применяются редко в силу недостаточной разработанности конкретных методик и технических средств.
Сказанное определяет актуальность разработки методов и средств стабилизации характеристик форсунок для повышения безотказности форсированных дизелей.
Цель работы - повысить безотказность форсированных дизелей на основе определения требований к допустимому изменению характеристик форсунок, разработки и внедрения безразборных методов и средств технического обслуживания форсунок, а также средств аварийной защиты для стабилизации температуры распылителя.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи: 1. Развить модель преобразований энергии в рабочем цикле дизеля с учетом их зависимости от характеристик форсунок, обобщить результаты экспериментальных исследований и на этой основе установить область допустимого изменения характеристик форсунок с позиций обеспечения параметрической безотказности форсированных дизелей.
2. Сформулировать систему условий работоспособности форсунок, установить закономерности изменения стабильности их характеристик в функции производственных и эксплуатационных факторов (возмущений) и обосновать применимость методов синтеза необходимой стабильности их характеристик на стадии проектирования.
3. Разработать методы, средства и методики стабилизации характеристик форсунок на стадиях производства (ремонта) и эксплуатации на основе проверки и регулирования форсунок без демонтажа с двигателя и их безразборной очистки от нагаро-смолистых отложений.
4. Определить рациональные конструктивные и регулировочные параметры системы аварийной защиты форсированного дизеля на основе пневмо-корректора, позволяющие использовать её для стабилизации температуры распылителя.
5. Экспериментально исследовать эффективность обеспечения и восстановления стабильности характеристик форсунок разработанными методами и средствами.
Объектом исследования являлся рабочий процесс в форсированных дизелях типа ЧН 13/14 (ЯМЗ-238Н и ЯМЗ-238Л) с газотурбинным наддувом, объемно-пленочным способом смесеобразования в полуразделенной камере сгорания, оборудованных форсунками закрытого типа с гидромеханическим способом управления и бесштифтовыми удлиненными распылителями
Предметом исследования служили закономерности изменения показателей рабочего процесса, характеризующих безотказность форсированных дизелей в функции состояния форсунок. Методика исследования. Исследования проведены на основе использования методов теории двигателей, математического и физического моделирования. Методика исследования предусматривала сочетание стендовых, в том числе ускоренных циклических испытаний двигателей, безмоторных испытаний топливной аппаратуры с численным экспериментом.
Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждается применением комплекса современных информативных и объективных методов исследования, подбором измерительной аппаратуры, систематической ее поверкой и контролем погрешностей, выполнением рекомендаций соответствующих стандартов и руководящих технических материалов на испытания и корректной статистической обработкой экспериментальных данных с использованием ЭВМ, сопоставлением результатов сданными других исследователей. Научные положения и выводы проверены результатами, полученными в ходе экспериментов.
Научная новизна. В диссертации:
- обоснована концепция стабилизациии характеристик форсунок, учитывающая влияние производственных (ремонтных) и эксплуатационных факторов на стадии проектирования и обосновывающая необходимость применения безразборных методов и средств технического обслуживания форсунок;
- сформулированы условия обеспечения стабильности характеристик форсунок в виде критериев работоспособности, базирующиеся на установленных закономерностях изменения основных показателей и ограничительных параметров дизеля и его рабочего цикла в функции показателей, оценивающих стабильность характеристик форсунок.
Практическая ценность. Разработанные методы, средства и методики позволяют обеспечить требуемую безотказность форсированных дизелей на стадиях проектирования, производства (ремонта) и эксплуатации, повышают эффективность их применения, сокращают затраты времени и средств на проведение их технического обслуживания. Полученные результаты применимы для других типов форсированных дизелей.
Реализация результатов работы. Разработанные технические решения и методики внедрены: на Федеральном государственном унитарном предприятии «15 Центральный автомобильный ремонтный завод» Министерства обороны РФ (г. Новосибирск), Федеральном государственном унитарном предприятии «88 Центральный автомобильный ремонтный завод» Министерства обороны РФ (г. Чита); Федеральном государственном унитарном предприятии «5 Центральный автомобильный ремонтный завод» Министерства обороны РФ (г. Екатеринбург), а также используются в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных проектов и чтении отдельных разделов лекций по дисциплинам «Двигатели военной автомобильной техники» и «Теплотехника» в Челябинском высшем военном автомобильном командно-инженерном училище.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на научно-методических семинарах с участием сотрудников кафедр двигателей, ремонта и эксплуатации военной автомобильной техники Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища (2004-2006 гг.); международном Форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, 2005 г.); международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателе-строения» (Челябинск, 2006 г.), научном семинаре в НПК "Агродизель" (Москва, 2006 г.), всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Двигатели внутреннего сгорания: совершенствование, проблемы и перспективы развития» (Барнаул, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.
Объем и содержание работы. Диссертация содержит 167 страниц текста, 37 рисунков, 7 таблиц и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 124 наименования, и приложения. списка использованной литературы, включающего 124 наименования, и приложения.
В первой главе проанализированы актуальные вопросы повышения эффективности мобильной техники, что во многом зависит от увеличения параметрической безотказности широко применяемых на них в качестве силовой установки форсированных дизелей. Показана существенная роль качества процессов впрыскивания, распыливания, смесеобразования и сгорания топлива, определяемого в основном степенью стабильности характеристик форсунок. Выявлено, что основной причиной ухудшения этих характеристик является нагаро- и смолоотложение, ведущее к закоксовыванию сопловых отверстий и потере подвижности иглы распылителя. Установлены основные факторы, влияющие на эти процессы. Установлена необходимость развития концепции стабилизации характеристик форсунок, учитывающей на стадии проектирования влияние производственных (ремонтных) и эксплуатационных факторов и обосновывающая необходимость применения безразборных методов и средств технического обслуживания форсунок для удаления нагаро - смолистых отложений, диагностирования технического состояния и регулирования давления начала впрыскивания.
Сформулированы гипотеза, цель и задачи исследования.
Вторая глава посвящена решению задачи анализа и обоснованы методы синтеза необходимой стабильности характеристик форсунок. Для этого применительно к форсированным дизелям сформулированы условий работоспособности форсунок. Развита модель преобразования энергии в рабочем цикле дизеля, учитывающая влияние характеристик форсунок на параметры процесса сгорания. На этой основе установлены закономерности изменения показателей рабочего цикла и ограничительных параметров дизелей в функции показателей, характеризующих изменение характеристик форсунок под воздействием процессов нагаро- и смолообразования.
С учетом современных требований к параметрической безотказности форсированных дизелей и анализа полученных результатов определена об 13 ласть допустимого изменения показателей форсунок, являющихся критериями стабильности их характеристик.
Путем анализа выполнимости условия работоспособности установлена необходимость существенного повышения стабильности характеристик форсунок исследуемых дизелей. Показана возможность применения конкретных методов выполнения условий работоспособности форсунок на стадиях проектирования, производства (ремонта) и эксплуатации.
В третьей главе описаны объект, предмет и методики исследования, экспериментальные безмоторные и моторные установки, методы и погрешности измерений и анализа.
В четвертой главе обобщены материалы по динамике изменения характеристик форсунок и топливной аппаратуры в целом в результате процессов нагаро- и смолообразования на стадии эксплуатации в функции наработки дизеля. Подробно исследовано влияние изменения характеристик форсунок на показатели и ограничительные параметры дизеля. Анализом индикаторных диаграмм установлены закономерности изменения параметров процесса сгорания в функции характеристик форсунок для дизелей типа ЧН 13/14.
На основе ускоренных циклических испытаний установлены закономерности нагаро - и смолоотложения в форсунках в функции температуры распылителя. Установлена область допустимых значений этих температур, также являющихся критериями стабильности характеристик форсунок.
Пятая глава посвящена исследованию влияния различных случайных возмущений, обусловленных технологиями сборки (ремонта) и технического обслуживания на изменение характеристик форсунок. Установлено существенное влияние моментов затяжки гайки распылителя, скобы крепления форсунки, неравномерности бокового зазора между распылителем и головкой. Разработаны конкретные рекомендации, выполнение которых обеспечивает компенсацию влияния этих возмущений.
Разработаны и усовершенствованы методы, средства и методики поддержания и восстановления стабильности характеристик проточной части распы 14 лителей и форсунок в целом путем их проверки и регулирования без демонтажа с двигателя с одновременной безразборной очисткой от нагаро-смолистых и лаковых отложений применением промывочной жидкости МЛ-201. Представлены результаты применения разработанных средств: переносной установки и ручного приспособления.
Приведены результаты экспериментального исследования, показывающие эффективность стабилизации характеристик форсунок для повышения параметрической безотказности форсированных дизелей на стадиях ремонта и эксплуатации.
Модернизирована система аварийной защиты дизеля типа ЧН 13/14 для стабилизации температуры распылителя в допустимой области. Показана эффективность этого мероприятия также и для повышения параметрической безотказности форсированных дизелей.
В заключении представлены основные выводы и рекомендации.
В приложении приведен экономический расчет, свидетельствующий о существенном экономическом эффекте, полученном от внедрения результатов исследования, и акты внедрения материалов диссертации.
Методология обеспечения параметрической безотказности форсированных дизелей
Практика эксплуатации и научные исследования [7, 9, 13, 18, 76, 80] показывают, что на современном этапе развития мобильной техники (МТ) существенно возрастает необходимость повышения эффективности многоцелевых автомобилей и транспортеров-тягачей (в дальнейшем машин), широко используемых в восточных районах и районах крайнего Севера России.
Потенциальный эффект применения этих машин закладывается на стадии проектирования и определяется их подвижностью, характеризуемой средней скоростью движения и запасом хода [7, 16, 26, 76, 88]. Под их эффективностью, понимается степень соответствия реализуемого эффекта применения потенциально возможному. [7, 14, 68, 80].
Определяющее влияние на эксплуатационные свойства машин оказывают характеристики двигателей, также оптимизируемые на стадии проектирования с позиций обеспечения требуемой эффективности [1, 2, 7, 13, 73, 77, 84]. К ним предъявляются достаточно жесткие требования. Допустимое в эксплуатации снижение мощности двигателя не должно превышать 8-10 %, допустимые пределы ограничительных параметров по дымности и токсичности установлены соответствующими стандартами. Имеются конкретные, применяемые при проектировании, рекомендации по допустимым значениям механической и тепловой нагруженности деталей и т. п. [1,2, 7, 29, 46, 84].
Тем не менее, практика показывает, что под действием различных производственных (ремонтных) и эксплуатационных факторов (в дальнейшем возмущений) возрастают потери в процессах преобразования энергии в двигателе, прежде всего в его рабочем цикле. Это ведет к 15-25 % снижению мощности, существенному ухудшению характеристик топливной экономич 16 ности, дымности и токсичности отработавших газов, повышению тепловой нагруженности и т. п. [7, 9, 28, 38, 48, 76].
Выход за допустимые пределы показателей функционирования (мощности, экономичности) или ограничительных параметров (дымности и токсичности, тепловой нагруженности и т. д.) является параметрическим отказом и свидетельствует о недостаточной стабильности характеристик двигателей [7, 32, 33, 48, 69, 78]. Вероятность возникновения параметрических отказов, к сожалению, недооценивается при проектировании, они не всегда своевременно устраняются в процессе эксплуатации, что, в конечном счете, приводит к функциональным отказам и уменьшению долговечности двигателей.
Механизм снижения эффективности машин достаточно сложен и требует дополнительного анализа. В общем случае эффективность равна [13, 14]: кэ = /ILI_LLL, (1.1) 2С, / с0 где пм., Tj и Cj- текущие характеристики, основные затраты и соответствующее время работы, Пэт,ТоИ Со - потенциальные характеристики, затраты и долговечность машины.
Двигатели многоцелевых автомобилей и транспортеров-тягачей, в основном с механическими трансмиссиями, работают с 40-60 % загрузкой независимо от дорожно-климатических условий [13, 47, 73, 76]. При снижении их мощности можно стабилизировать энергетический поток от двигателя к трансмиссии и поддержать требуемую среднюю скорость движения, определяющую подвижность автомобиля. Для этого водитель форсирует рабочие режимы двигателя увеличением подачи топлива, т. е. ценой ухудшения его топливной экономичности. В этом случае эксплуатационный удельный эффективный расход топлива, характеризующий затраты на поддержание требуемого энергетического потока, оказывает определяющее влияние на характеристики автомобиля и его эффективность. Важно отметить, что при увели 17 чении подачи топлива возможны параметрические отказы по ограничительным параметрам (дымности и токсичности, тепловой нагруженности и т. п.).
Эффективность автомобилей при условии поддержания средней скорости движения определена преобразованием выражения (1.1) в вид [7]: езкс „ 1 К = = - —-Ті +Т2 (12) ge -Ne -Т0 ge 2 1-; где ge - эксплуатационный удельный эффективный расход топлива при экс0 исходном значении мощности двигателя и оптимальной характеристике ав томобиля; ge и Т, -относительные средний эксплуатационный удельный эффективный расход топлива и время работы автомобиля при снижении мощности двигателя и последующем форсировании рабочих режимов; Т2 -относительное время работы автомобиля при исходном значении мощности двигателя; Tt+T2 l.
Установлено, что при таких условиях эксплуатации происходит ухудшение топливной экономичности и снижение эффективности по усиливающейся степенной зависимости в функции снижающейся мощности двигателя [7, 80]. В результате эффективность машин уменьшается до недопустимого уровня, составляющего в ряде случаев 50-60 % от требуемого. В практике отмечаются парадоксальные ситуации. Эффективность машин с современными форсированными высокоэкономичными дизелями, но с низкой стабильностью характеристик, существенно ниже таковой при использовании устаревших двигателей, но с большей стабильностью характеристик [7, 80].
Неразрывность в формировании эффективности машин потенциального уровня характеристик двигателей и их стабильности при действии возмущений или параметрической безотказности указывает на актуальность и необходимость более тщательного обеспечения последней на стадии проектирования.
Особенности моделирования показателей рабочего цикла и тепловой нагруженности дизеля
Теоретические исследования были проведены с использованием известного метода синтеза рабочего цикла дизеля с учетом скорости и угла начала сгорания топлива, разработанного Вибе И.И. [21, 118], развитого в работах [1, 37, 51, 57, 59, 64, 107, 119] и реализованного современными средствами в программе «MA Engine».
В результате моделирования рабочего цикла по заданным исходным данным определяли параметры процессов впуска, сжатия, сгорания, расширения, индикаторные и эффективные показатели. Имеется ряд особенностей моделирования. Расчет процесса сгорания предусматривает учет изменения состава рабочего тела в зависимости от химического состава топлива. Давление рабочего тела находится в конце элементарного участка синтеза по зависимости, учитывающей изменение молекулярной массы рабочего тела [51]:
Расчет параметров рабочего тела в конце каждого элементарного участка выполняется методом последовательных приближений.
Анализ рабочего цикла исследуемого дизеля типа ЧН 13/14 по индикаторным диаграммам (приведенным в главах 3 и 4) показал, что процесс сгорания характеризуется наличием двух, хорошо дифференцируемых с помощью логарифмической анаморфозы экспериментальной характеристики выгорания топлива, периодов процесса: начального периода взрывного сгорания и основного периода диффузионного сгорания. В этом случае универсальный характер известного полуэмпирического уравнения сгорания Вибе [21, 118] позволяет использовать его не для описания всего процесса сгорания, а его отдельных периодов в виде [1, 57, 59]: где x - доля топлива, выгоревшего к моменту ф; тн и т0 - показатели характера сгорания в начальном и основном периодах; ф„ и ф2 - продолжительности начального и основного периодов процесса.
В соответствии с практикой эксплуатации мощность двигателя должна быть неизменной независимо от состояния форсунок, что учитывалось в условиях моделирования. Однако изменение характеристик форсунок приводит к снижению мощности, что на практике компенсируется увеличением подачи топлива, а при моделировании учитывалось соответствующим изменением величины коэффициента избытка воздуха а и коррекцией продолжительности процесса сгорания по известным рекомендациям [37, 59, 119]: где ф2 ,а0 - продолжительность процесса сгорания и коэффициент избытка воздуха коленчатого вала на исходном режиме работы дизеля (при применении форсунок без нагаро- смолистых отложений; ф2, а - текущие значения указанных параметров; К а - коэффициент влияния (для объемного смесеобразования в полуразделенных камерах сгорания Ка =0,6-0,65 [37, 119]).
Необходимые для моделирования влияния изменения характеристик форсунок на показатели рабочего цикла и тепловую нагруженность дизеля эмпирические закономерности изменения кинетических параметров процесса сгорания в функции показателей: эффективного проходного сечения распылителя црр и давления начала впрыскивания топлива рф, были также получены анализом рабочего цикла по индикаторным диаграммам с использованием выражения (2.8), рекомендаций [37, 59, 119] и по результатам стендовых испытаний, приведенных в главе 4). Анализ рабочего цикла по индикаторным диаграммам показал, что изменение коэффициента избытка воздуха, оказывая существенное влияние на величину ср2, практически не оказывает влияния на величину показателя характера сгорания т. Также вследствие отмеченного (см. главу 4) при наличии нагаро-смолистых отложений в форсунке некоторого увеличения периода задержки впрыскивания и близкого по величине уменьшения периода задержки самовоспламенения топлива, угол начала воспламенения 8 был принят при моделировании постоянным.
Экспериментальные установки и измерительная аппаратура
Исследования влияния изменения стабильности характеристик форсунок в результате нагаро- и смолоотложения в распылителях на показатели топливоподачи, рабочего цикла и на параметрическую безотказность дизеля в целом проводилось на универсальных стендах. Они были оборудованы всеми необходимыми системами и средствами измерений для определения оценочных показателей и параметров в объеме и с точностью согласно методике исследований и действующих стандартов [43, 120, 121]. В ходе проведения экспериментов часть необходимых параметров определяли по общепринятым методами [43, 17, 81, 98] путем прямых измерений (табл. 3.2), часть - косвенным путем по показаниям прямых измерений, функционально связанных с ними (табл. 3.4).
Стендовые испытания проводились с помощью электрического тормоза постоянного тока DS-1036 N, особенностью которого является применение совершенной системы автоматического регулирования и датчиков частоты вращения и крутящего момента в комплекте с аналого-цифровыми преобразователями, что позволило существенно повысить точность измерений (рис. 3.2).
Исследования топливной аппаратуры проводилось на универсальном стенде NC-128 фирмы «Моторпал» [92], оборудованном штатными приборами. Гидравлические характеристики распылителей (рис. 3.3) определялись на изготовленной установке для проливки распылителей при постоянном давлении 5 МПа, обеспечивающем турбулентное истечение топлива [92, 93]. Для измерения и регулирования при проливке подъема иглы распылителя использовался микрометрический винт. Подача топлива осуществлялась насосом с аккамулятором топлива, установленном на стенде NC-128. Это приспособление, дообурудованное распределительным устройством и мензурками для улавливания топлива, аналогичное по конструкции разработанному в ЦНИТА [92, 93], использовалось для определения равномерности подачи топлива через отдельные сопловые отверстия распылителей.
Проведенные измерения не могут быть выполнены абсолютно точно и содержат некоторые погрешности. Все погрешности разделяются на объективные и субъективные. Объективные погрешности возникают в процессе измерения вследствие несовершенства принятого метода измерения, влияния внешних условий на процесс измерения и особенностей устройства приборов. Объективные погрешности подразделяются на систематические, включающие в себя статические и динамические погрешности, и случайные.
Систематические погрешности могут возникать закономерно в связи с ограниченной точностью приборов, ухудшением их технического состояния, неправильно выбранного метода измерения или установки прибора. Для снижения влияния погрешностей на результаты измерений в процессе исследований принимались следующие меры: использовались приборы с классом точности не ниже 0,5 с действующими сроками метрологического контроля, вводились поправки к приборам по результатам сравнения показателей эталонных приборов с рабочими.
Случайные погрешности нельзя учесть заранее, но можно определить качественно с помощью теории вероятностей и методов статистики, причем тем надежнее, чем больше число проведенных наблюдений.
Субъективные ошибки, как правило, возникают из-за неисправности прибора или невнимательности экспериментатора. Измерения, содержащие грубые погрешности, устраняются повторными измерениями или отбрасываются.
Предел допустимой относительной погрешности прибора 5П в процентах определяется по формуле: ДПТ 8П=±— М00%, (3.1) А, "пред где АППред - предел допустимой абсолютной погрешности измерительного прибора; Ап - показания прибора.
Величина ДППред определяется через класс точности прибора у и конечное значение его шкалы Ак по формуле: ЛПпсел=±—Аку. (3.2) пРед loo Погрешности средств измерения температуры рассматривалась как суммарная погрешность термопары и регистрирующего прибора.
Предел допустимой абсолютной погрешности температурного средства измерения вычислялся как: АПпред = ±д/А1:пред + АР Упред (3-3) где At ПрЄд - предел абсолютной погрешности термопары, который в диапазоне 0-300 С составляет ± 3 С, а в диапазоне 0 - 1000 С - ± 10 С; Ар упред- предел абсолютной погрешности регистрирующего прибора.
Погрешность измерительного прибора типа КСП-4 соответствует классу 0,5. Основная погрешность показаний по шкале при температуре окружающего воздуха 20+ 5 С не превышает ± 0,5 % от диапазона измерения по шкале (предел измерения температур ОГ 0-600 С) и составляет Atj = ± 3 С.
Погрешность стандартных хромель-алюмелевых термопар определяется в пределах А1 = ±0,2 мв или At2 =+2,16 С (ГОСТ 3044-84), значит суммарная средняя квадратичная теоретическая погрешность измерительной системы составит:
Влияние изменения характеристик форсунок вследствие нагаро- и смолоотложения на показатели рабочего цикла дизеля
Выполненный анализ показывает, что наибольшее влияние на изменение характеристик форсунок на стадии эксплуатации оказывает уменьшение эффективного проходного сечения распылителя и снижение подвижности его иглы вследствие нагаро и смолоотложение в распылителях, усугубляемое снижением давление начала впрыскивания топлива. Приводимые в литературе результаты определения оптимальных значений, например эффективного проходного сечения распылителя или давления начала впрыскивания топлива, получены в ходе стендовых испытаний [1, 2, 4, 59, 96]. Они не учитывают на стадии проектирования влияния совокупности всех производственных и эксплуатационных и факторов и, главное, не отражают механизма изменения характеристик форсунок в эксплуатации. Для восполнения этого пробела, методом стендовых испытаний исследуемого дизеля устанавливалось влияние изменения характеристик форсунок на его оценочные показатели и ограничительные параметры, определяемые на режимах скоростных и нагрузочных характеристик в объеме и с точностью согласно действующих стандартов [43, 120, 121] с дополнительным осциллографированием в первом цилиндре процессов топ-ливоподачи и рабочего цикла и его анализом по индикаторным диаграммам. Испы-тания проводились с использованием новых распылителей (iFp=0,28-0,283 мм ) и отобранных распылителей с различной степенью нагаро-смолистых отложений, ха-растеризуемых значениями uFp примерно 0,23-0,24 и 0,19-0,20 мм и коэффициентов коксования Кк порядка 14-18 % и 28,6-32 %. В данном случае параметры распылителей характеризуют не только величину эффективного проходного сечения, но и связанную с её уменьшением в эксплуатации качественную характеристику снижения подвижности иглы распылителя. Анализ приведенных нагрузочных характеристик дизеля показывает следующее (рис. 4.3,4.4).периодов задержек впрыскивания и самовоспламенения становится неоптимальным угол начала сгорания, возрастают продолжительность процесса сгорания в среднем на 15-25 град ПКВ и энергетические потери, характеризуемые снижением значения коэффициента эффективности сгорания на 12-15 %, существенно увеличиваются дымность и температура отработавших газов. Это отражается в значительном снижении как эффективных, так и определенных в результате анализа рабочего цикла индикаторных показателей. Характер процесса сгорания в целом не изменяется, он характеризуется наличием двух, хорошо дифференцируемых при анализе, периодов процесса. При снижении xFp, очевидно вследствие менее качественного распыливания топлива, несколько уменьшается интенсивность тепловыделения в начальном периоде процесса сгорания и его продолжительность. Это находит отражение в некотором сниже-нии максимальных давления цикла и быстроты его нарастания. Полученные данные существенно отличаются от приводимых в литературе результатов по влиянию изменения эффективного проходного сечения распылителя на показатели рабочего цикла [59, 85, 86]. Причина заключается в том, что данные приводятся для работоспособных распылителей и не учитывают ухудшения характеристик впрыскивания и распыливания топлива вследствие снижения подвижности их игл. Снижение давления начала впрыскивания топлива (давления начала подъема иглы) по мере уменьшения дрр в результате нагаро- и смолоотло-жения существенно усугубляет ухудшение показателей рабочего цикла. Так при использовании новых распылителей снижение рф на 1,0-1,2 МПа приводит к ухудшению экономичности на 2-3 %. Аналогичное снижение рф при уменыпе-нии дррдо 0, 19-0,20 мм сопровождается увеличением ge уже на 5-6 % .
Анализ влияния изменения характеристик форсунок на показатели рабочего цикла позволил получить исходные данные для последующего моделирования с целью определения области допустимого изменения характеристик форсунок.
Как отмечалось в главе 1, температура носка распылителя является основным ограничительным параметром, превышение допустимого значения которого свидетельствует о параметрическом отказе. Ряд данных преимущественно 15-20-летней давности указывает, что для исследуемых дизелей типа ЧН 13/14 допустимая температура носка распылителя не должна превышать выше 180-200 С при работе на дизельном топливе [90, 93, 96]. Отмечается, что рабочая температура носка распылителей для этих дизелей на характерных режимах работы составляет 160-170 С. Однако на сегодняшнем этапе совершенствования конструкции и технологии производства этих дизелей допустимое значение ограничительного параметра должно быть уточнено с учетом того, что в многотопливных модификациях дизелей допустимое значение этой температуры при работе на бензине должно быть на 15-20 С ниже, чем при работе на дизельном топливе [40, 109]. В связи с большой трудоемкостью отермопаривания распылителей на первом этапе исследования в широком диапазоне режимов была установлена практически прямо пропорциональная взаимосвязь между температурами носка распылителя и уп-лотнительной шайбы.форсунки (рис. 4.5) и установлена возможность косвенной оценки его температуры по температуре шайбы. Кроме этого, эти две температуры находятся в линейной зависимости от известного критерия тепловой нагруженно-сти Костина [46] (см. рис. 4.5). С использованием этих закономерностей были выполнены три серии ускоренных циклических испытания с применением четырехчасового цикла в объеме 16 часов (глава 3).
